希勒切削状态的识别是关键技术实现智能控制的希勒,已成为一个高度困难的全球关注的话题。本文以声音信号作为分析对象,提出了一种新颖的基于变分相结合的模式识别方法分解(VMD),主成分分析方法(PCA)和最小二乘支持向量机(LSSVM)。VMD可以将信号分解成不同的模式利用微积分的变异和有效地避免错误的组件和混合模式问题。在此基础上,设计一种改进的引力搜索算法(IGSA)是通过征收飞行的位置更新机制策略找到VMD的最优参数组合。然后,特征提取是通过计算分解的信封熵和峰度固有模式函数(货币)。为了避免维灾害和加强分类性能,介绍了PCA选择有用的特性,LSSVM-based合理构造分类器。最后,实验结果表明该方法是可行的和上级的认可希勒切削状态。
煤矿的脸,希勒扮演着不可或缺的角色,连续、安全、可靠运行的希勒是一个重要的保证实现煤矿的生产和效率高。为了提高智能水平的希勒,有必要实现希勒切削状态的准确识别工作过程和调整的高度减少鼓和身体的牵引速度自适应(
在实际的煤炭生产过程中,有经验的希勒运营商经常根据声音判断煤岩切割状态的希勒削减煤炭和手动调节牵引速度和鼓高度。研究表明,产生的噪音,鼓之间的交互和希勒的煤岩在切割过程中包含丰富的切削状态的信息。因此,希勒削减国家基于声音的识别提供了一个新的想法在这个领域的研究。
近年来,一些acoustic-based故障诊断技术开发(
在实际煤矿开采过程中,声音信号采集的声音传感器属于一个耦合信号,包括其他机电设备和人员发出的声音,除了切割煤岩的声音信号。然而,是有差异的,不同的声音来源之间的耦合关系和分离过程涉及许多参数难以确定。它很难描述的声音信号通过数学建模方法。因此,从原始声音信号的采集,本文提取的特征信息可以表示的切削状态希勒信号分解的基础上。常见的信号处理方法包括经验模态分解(EMD),集成经验模态分解(EEMD),地方平均分解(LMD)和变分模式分解(VMD)。在这些方法中,EMD,黄等人于1998年首先提出(
基于上述描述,一种新颖的群体智能算法的引力搜索算法(GSA)征收飞行策略提出优化VMD的参数。然后,信封熵和峰度的IMF分量中提取,并介绍了主成分分析方法(PCA)实现有用的特征选择。最后,多态分类器设计是基于最小二乘支持向量机(LSSVM)来识别切削状态类型的希勒。
本文的其余部分可以概括如下。部分
变分模态分解(VMD)使用交替方向乘法器的方法实现信号的频域自适应分离,每个组件和具有更好的噪声鲁棒性。VMD的固有模态函数(IMF)被定义为一个调幅-调频信号的表达式如下:
事实上,VMD的分解过程基本上可以分为两个过程:建设和变分问题的解决方案。
如果每一个“模式”是有限的带宽和中心频率是不同的,可以被描述为变分问题<我t一个lic>
K我t一个lic>模式的功能。<我t一个lic>
u我t一个lic>
希尔伯特变换进行每个模式的功能<我t一个lic>
u我t一个lic>
每个模式的分析信号的中心频率估计,每个模式的频谱调制和分发给相应的基本频带:
每个模式函数估计的带宽;然后,相应的约束变分问题模型如下:
通过引入惩罚因子<我t一个lic> α我t一个lic>和拉格朗日乘数运营商<我t一个lic> λ我t一个lic>(<我t一个lic> t我t一个lic>)解决方案过程中,扩展拉格朗日函数表达式如下:
公式(
因此,更新的方法<我nline-formula>
同样,更新的方法<我nline-formula>
VMD算法的具体步骤如下:
步骤1:初始化<我nline-formula>
步骤2:更新<我nline-formula>
步骤3:<我t一个lic> k我t一个lic>=<我t一个lic> k我t一个lic>+ 1。重复步骤2,直到<我t一个lic> k我t一个lic>=<我t一个lic> K。我t一个lic>
步骤4:更新<我t一个lic>
λ我t一个lic>根据方程(
第五步:确定停止条件是否满意:<我nline-formula>
引力搜索算法(气)是2009年由Rashedi提出万有引力定律的基础上,如图
万有引力定律。
通过多次试验,发现在GSA解决重力时,广场<我t一个lic>
R我t一个lic>2年代up>两个物体之间的距离在万有引力定律是改变<我t一个lic>
R我t一个lic>,这是更快和更有效地计算。因此,重力<我nline-formula>
为了增加GSA的随机性和多样性,总的力量作用于粒子<我t一个lic>
我我t一个lic>在<我t一个lic>
d我t一个lic>th维度是力量作用于其他的总和<我t一个lic>
N我t一个lic>−1颗粒,大小的<我nline-formula>
加速度<我nline-formula>
粒子的速度和位置更新机制<我t一个lic>
我我t一个lic>可以表示如下:
粒子的惯性质量与目前的健身价值。粒子的惯性质量越大,粒子的位置越接近最优值。与此同时,更大的粒子的重力,移动速度越低。粒子的惯性质量可以计算如下:
根据上述描述,GSA的具体实现步骤如下:
步骤1:确定搜索空间,设置人口规模<我t一个lic>
N我t一个lic>迭代的最大数量<我t一个lic>
T我t一个lic>及其他相关参数和初始化粒子的速度<我nline-formula>
步骤2:计算粒子适应度值符合(<我t一个lic>
t我t一个lic>)和更新引力常数<我t一个lic>
G我t一个lic>(<我t一个lic>
t我t一个lic>),最差最差的健身价值(<我t一个lic>
t我t一个lic>),最佳的健身价值最好的(<我t一个lic>
t我t一个lic>),粒子惯性质量<我t一个lic>
米我t一个lic>
步骤3:计算总力<我nline-formula>
步骤4:更新速度<我nline-formula>
第五步:重复步骤2 - 4,直到优化精度满足或达到最大迭代次数,然后输出优化结果
利维飞行是一种非高斯随机漫步的策略,和步长遵循税收分配,目前,一些学者已经证明在自然界中许多动物和昆虫的觅食轨迹符合征收分布、觅食等飞行轨迹的信天翁,果蝇的间歇觅食的飞行轨迹,和蜜蜂的觅食行为。
莱维分布可以表示如下:
因为征收分布的方差变化指数随着时间的推移,搜索性能比布朗更有效随机运动在大规模搜索。随机飞行步幅采用交替模式的频繁的短途飞行和偶尔的长途飞行。利维飞行可以增加种群多样性的特点,扩大算法的搜索范围。因此,在智能优化算法使用征收飞行路径可以更容易跳出局部最优。
常见的随机步长计算公式<我t一个lic>
年代我t一个lic>利维的航班如下:
在GSA算法的最优解是粒子的位置与最大的惯性质量,可以发现的粒子之间的引力。人口的不断进化,个人移动到最优解。在进化的后期,集群现象更为严重,和个人的速度运动变得更小,因此很容易陷入局部极值,和过早收敛。
利维飞行的更新策略采用交替模式的频繁的短途飞行和偶尔的长途飞行,可以增加种群的多样性,扩大搜索范围,帮助算法跳出局部最优。因此,征收飞行介绍更新粒子的位置和速度在GSA,然后提出了一种改进的GSA (IGSA)。具体的改进想法如下:当更新粒子的位置和速度,粒子根据适应度值排序。这时,一个比例系数<我t一个lic> θ我t一个lic>决心把排序粒子分成两部分的<我t一个lic> 一个我t一个lic>1年代ub>和<我t一个lic> 一个我t一个lic>2年代ub>。为<我t一个lic> 一个我t一个lic>1年代ub>部分有更好的健身价值,GSA的原创更新机制仍然是采用基于随机步长和更新机制利维飞行是用来更新粒子的位置<我t一个lic> 一个我t一个lic>2年代ub>部分差的健身价值。
位置更新机制基于利维航班如下:
改善GSA基于随机行走的流程图如图
步骤1:设置人口规模<我t一个lic>
N我t一个lic>迭代的最大数量<我t一个lic>
T我t一个lic>和<我t一个lic>
θ我t一个lic>和其他相关参数;初始化速度<我nline-formula>
步骤2:计算合适的健身价值<年代ub>
步骤3:计算总力<我nline-formula>
步骤4:粒子的分类根据其适应度值,分为更好的一部分<我t一个lic> 一个我t一个lic>1年代ub>更糟糕的是部分<我t一个lic> 一个我t一个lic>2年代ub>根据比例系数<我t一个lic> θ。我t一个lic>
第五步:粒子<我t一个lic>
一个我t一个lic>1年代ub>通过使用方程(更新
第六步:计算更新后的粒子的健身价值。如果它比前面的粒子,更新粒子的位置;否则,继续使用以前的粒子的位置。
第七步:重复步骤6两步直到优化精度满足或达到最大迭代次数,并输出优化结果。
IGSA流程图。
VMD的分解过程中,大多采用人工试验方法确定模式的数量<我t一个lic> K我t一个lic>,一个伟大的主观影响分解的效果。为惩罚因子<我t一个lic> α我t一个lic>由于其较大的值范围,一般根据经验值选择。为了达到最好的分解作用,多次重复测试常常需要确定最佳参数组合,大量的计算和低可靠性。因此,变分模态分解方法基于改进引力搜索算法(IGSA-VMD)提出。模式的数量<我t一个lic> K我t一个lic>和惩罚因子<我t一个lic> α我t一个lic>VMD的相应的优化利用IGSA算法达到最优分解信号的影响。
为了描述VMD的分解效果,采用正交(IO)指数。更好的模式组件之间的正交性,相关性越小,分解效果就越好。当模式的数量<我t一个lic>
K我t一个lic>和惩罚因子<我t一个lic>
α我t一个lic>不适当的,模式组件之间的正交性将受到影响。因此,正交性指数(IO)可以定量分析信号分解的准确性。IO值越小,精度越高的信号分解和模式之间的混乱程度越低。计算输入输出值的公式如下:
的过程中优化参数<我t一个lic>
K我t一个lic>和<我t一个lic>
α我t一个lic>通过使用IGSA VMD算法,(<我t一个lic>
K我t一个lic>,<我t一个lic>
α我t一个lic>是作为粒子的位置<我t一个lic>
我我t一个lic>。信号分解与该参数组合和分解的IO价值计算组件。整个优化过程的最优值是最小的输入输出值和最优粒子位置的最佳参数组合<我t一个lic>
K我t一个lic>最好的年代ub>,<我t一个lic>
α我t一个lic>最好的年代ub>]。IGSA-VMD如图的流程图
IGSA-VMD流程图。
为了验证提出的分解性能IGSA-VMD,本文使用模拟信号,这是一个混合信号由四个不同频率的余弦信号。信号的数学表达式和波形如图所示
模拟信号的波形。
为了验证适应度函数的有效性,惩罚因子<我t一个lic>
α我t一个lic>选择在2000年根据经验值和模式的数量<我t一个lic>
K我t一个lic>分别设置从2到15。模拟信号分解和IO值计算。结果如图所示
IO的价值观不同<我t一个lic> K我t一个lic>。
为了进一步提高分解效果和作证IGSA的优化性能,GSA, IGSA都被用来优化VMD显示的参数比较。粒子的数量设置为30和最大迭代的数量设置为100。最佳的健身价值的迭代曲线优化过程如图
最优适应度值迭代曲线的模拟信号。
模拟信号的优化结果。
| 方法 | 最优粒子的位置 | 最优输入输出值 |
|---|---|---|
| GSA-VMD | [4936] | 2.1714×10<年代up>−4年代up> |
| IGSA-VMD | [4999] | 1.3710×10<年代up>−4年代up> |
它可以观察到,IGSA算法明显比GSA算法有更好的搜索性能,和更快的收敛速度和较高的收敛精度。IGSA可以获得良好的参数组合来实现更好的VMD的分解效果。此外,最佳的输入输出值基于IGSA-VMD可达1.3710×10<年代up>−4年代up>,这是优于实证研究法(8.1282×10<年代up>−4年代up>),标志着同时优化参数的必要性<我t一个lic>
K我t一个lic>和<我t一个lic>
α我t一个lic>。模拟信号的分解结果基于IGSA-VMD如图
模拟信号的分解结果。
图
提出的主要观点希勒切削状态识别方法。
IGSA-VMD方法是首先用来分解的声音信号,消除干扰的影响,国际货币基金组织和一些组件。
摘要信封熵和峰度被用来提取特征的声音信号。为信号<我t一个lic>
x我t一个lic>长度为<我t一个lic>
N我t一个lic>,信封熵<我t一个lic>
E我t一个lic>
的峰态<我t一个lic>
K我t一个lic>
特征提取后,可以获得16个特征值描述的声音信号。如果使用太多的提取特征,它将不可避免地导致维灾难和降低网络性能。主成分分析方法(PCA)是用于提取敏感的特性。
对于一个给定的样本集<我t一个lic>
X我t一个lic>= {<我t一个lic>
x我t一个lic>1年代ub>,<我t一个lic>
x我t一个lic>2年代ub>、…<我t一个lic>
x我t一个lic>
原始数据标准化:原始数据标准化通过以下方程:
在哪里<我t一个lic>
μ我t一个lic>
构造协方差矩阵<我t一个lic> 年代我t一个lic>:协方差矩阵<我t一个lic> 年代我t一个lic>可以计算如下:
特征值(<我t一个lic>
λ我t一个lic>1年代ub>,<我t一个lic>
λ我t一个lic>2年代ub>、…<我t一个lic>
λ我t一个lic>
确定主成分:变量指数的贡献率越大,越原始数据信息可以由变量指数。贡献率的计算公式如下:
第一次的累积贡献率<我t一个lic>
k我t一个lic>主成分可以计算如下:
如果累积贡献率高于预定阈值,<我t一个lic> k我t一个lic>主成分可以用来评价原始数据。
自然,在特征提取后,多态分类器设计确定切削状态类型的希勒。LSSVM已广泛应用于许多领域由于其计算效率高和泛化能力
多级识别,开发了几个技术解决多类问题LSSVM的基础上,如一个和一个(蛋),一个与其他(表达),和分层LSSVM。因为表达和分层LSSVM需要更多时间和数据集训练程序,蛋是选择确定不同希勒切削状态。此外,LSSVM参数,惩罚参数<我t一个lic>
C我t一个lic>和宽度参数<我nline-formula>
在本节中,一个实验性的希勒切割煤岩系统建立收集切削声信号。实验设置包括采煤机、刮板输送机、液压支架、煤岩样品和固定架,声音传感器,信号调节器,数据采集卡,和工业计算机,如图
采煤机割煤岩的实验系统。
为了更好地模拟真实的地下煤矿的煤岩性质的脸,煤炭粉、沙子和水泥混合在一起和水按照一定比例,和四个典型的煤岩样品开发,如图
四个白手起家的典型的煤岩标本。
切割的五个州的类标签。
| 切削状态 | 煤岩样品 | 类标签 |
|---|---|---|
|
|
没有一个 | 1 |
|
|
煤层与硬度<我t一个lic> f我t一个lic>= 2 | 2 |
|
|
煤层与硬度<我t一个lic> f我t一个lic>= 3 | 3 |
|
|
煤层与煤矸石 | 4 |
|
|
岩石 | 5 |
声音传感器安装在正确的摇臂面对煤岩样品,和传感器属于外部偏置电容传感器与大型振动膜侧条目。频率响应范围是20 - 20 kHz,可以承受的最大158分贝声压级。为了避免影响的岩石或煤炭屈服在实验中,金属外壳内的传感器是固定的,传输声音信号通过信号调整器工业计算机和数据采集卡进行后续处理。声音信号的时域波形和五个不同切削状态图所示
切割的五个州的声音信号。
在这个实验中,收集到的数据分为几个不重叠的样本。每个样本的数据长度是0.5,每个切削状态包含60样本。因此,完全可以生成300个样本。一半的样品用于创建训练集,和另一半是用于生成测试集。这些细节表
实验数据集分类的详细安排。
| 切削状态 | 类标签 | 训练样本的数量 | 数量的测试样本 |
|---|---|---|---|
|
|
1 | 30. | 30. |
|
|
2 | 30. | 30. |
|
|
3 | 30. | 30. |
|
|
4 | 30. | 30. |
|
|
5 | 30. | 30. |
根据拟议中的削减状态识别方法的过程,收集到的信号首先通过使用IGSA-VMD分解。最优粒子位置位于[3945]和相应的输入输出值为0.1791,这表明IMF声音信号可以分解为八个组件。结果如图所示
声音信号的分解IMF组件基于IGSA-VMD。
然后,信封熵和峰度被用来提取敏感的国际货币基金组织中各组分的特征信息来描述不同切削状态。因此,每个样本数据可以表示为一个特征向量的16个维度,如表所示
切削声信号的特征向量。
| 样本数量 | 特征向量 |
|---|---|
| 1 | (0.7918,0.8348,0.6840,0.6662,0.6728,0.2799,0.5645,0.3014,0.0778,0.0571,0.1491,0.1436,0.1539,0.3018,0.2394,0.3293) |
| 2 | (0.7580,0.8097,0.7496,0.6550,0.6429,0.2441,0.5348,0.2728,0.1093,0.0638,0.1180,0.1777,0.1924,0.3794,0.2982,0.4088) |
| 3 | (0.7569,0.7500,0.6837,0.6211,0.6323,0.2123,0.5254,0.2497,0.0766,0.0786,0.1650,0.2138,0.1962,0.4333,0.2939,0.4577) |
| 4 | (0.7979,0.6867,0.7044,0.6364,0.6128,0.2586,0.5207,0.2799,0.0858,0.1743,0.1943,0.2460,0.2906,0.4333,0.3933,0.4679) |
| 5 | (0.7069,0.7678,0.6523,0.6789,0.6609,0.2893,0.5471,0.3269,0.0940,0.1060,0.1646,0.1755,0.2290,0.3997,0.3537,0.4320) |
| 6 | (0.7064,0.7961,0.5993,0.6139,0.2582,0.3263,0.5198,0.3258,0.1006,0.0940,0.2121,0.1974,0.3416,0.3454,0.2613,0.3433) |
| 7 | (0.7707,0.6345,0.6857,0.6141,0.6036,0.2438,0.5117,0.2614,0.1335,0.1619,0.1396,0.2814,0.2743,0.4821,0.3710,0.5139) |
| … | … |
| 298年 | (0.5633,0.6539,0.6756,0.6330,0.3202,0.4556,0.5804,0.4202,0.3001,0.1814,0.1643,0.2107,0.3230,0.3072,0.2490,0.3292) |
| 299年 | (0.5550,0.7038,0.5930,0.6688,0.3250,0.4413,0.5975,0.4143,0.3332,0.1067,0.1729,0.1559,0.2629,0.2559,0.1962,0.2670) |
| 300年 | (0.5804,0.7032,0.6115,0.6708,0.2965,0.4490,0.5986,0.4080,0.4209,0.1266,0.1668,0.1492,0.2701,0.2550,0.1930,0.2702) |
很明显,特征向量的维数太大,而且可能有冗余关系,这将导致维度灾难,然后影响识别精度。因此,介绍了PCA实现降维处理。主成分贡献率的直方图如图
主成分贡献率的直方图。
降维后的新的特征向量。
| 样本数量 | 新的特征向量 |
|---|---|
| 1 | (0.5014,0.4801,0.4248,0.5117,0.5391) |
| 2 | (0.4255,0.2261,0.3565,0.5393,0.5422) |
| 3 | (0.2646,0.0710,0.1204,0.1617,0.1227) |
| 4 | (0.2550,0.1696,0.1234,0.1359,0.1282) |
| 5 | (0.1544,0.1578,0.1280,0.1221,0.1007) |
| 6 | (0.1191,0.1568,0.1555,0.1401,0.1010) |
| 7 | (0.0741,0.0696,0.0689,0.0566,0.0628) |
| … | … |
| 298年 | (0.0624,0.0673,0.0654,0.0570,0.0542) |
| 299年 | (0.0269,0.0306,0.0317,0.0265,0.0243) |
| 300年 | (0.0253,0.0299,0.0268,0.0251,0.0240) |
新特性向量用于火车multiclassifier LSSVM希勒的切削状态识别。为了验证该方法的识别性能,LSSVM结合GSA-VMD和PCA(简化为GSA−VMD + PCA), LSSVM结合VMD和PCA(简化成VMD + PCA)和LSSVM结合EEMD和PCA也用来进行模式识别。为了提高公平的比较结果,本文对每个算法运行20次。最后,得到分类结果如图
识别精度的四个方法。
切削状态识别四种方法的结果。
| 方法 | 精度(%) | 标准偏差 | ||
|---|---|---|---|---|
| Max。 | 分钟。 | 的意思是 | ||
| 该方法 | 97.50 | 92.50 | 95.54 | 0.01669 |
| GSA−VMD + PCA | 95.00 | 90.83 | 92.92 | 0.01684 |
| VMD +主成分分析 | 94.17 | 88.33 | 91.25 | 0.02165 |
| EEMD +主成分分析 | 95.00 | 90.00 | 92.75 | 0.01675 |
此外,为了研究的有效性和必要性PCA方法,五元素是随机选择从最初的特征向量,然后用来训练和测试LSSVM-based分类器。获得状态表中描述的识别精度
切削状态识别结果的四个不使用PCA方法。
| 方法 | 精度(%) | 标准偏差 | ||
|---|---|---|---|---|
| Max。 | 分钟。 | 的意思是 | ||
| IGSA-VMD | 88.33 | 78.33 | 84.34 | 0.01824 |
| GSA-VMD | 86.67 | 74.17 | 82.45 | 0.01956 |
| VMD | 81.67 | 70.83 | 78.87 | 0.2248 |
| EEMD | 84.17 | 73.33 | 80.96 | 0.01758 |
为了验证该方法的有效性,多级关联向量机——(MRVM)方法为基础开发的(
基于该方法的识别结果和MRVM-based方法。
| 方法 | 精度(%) | 标准偏差 | ||
|---|---|---|---|---|
| Max。 | 分钟。 | 的意思是 | ||
| 该方法 | 97.50 | 92.50 | 95.54 | 0.01669 |
| MRVM-based方法( |
93.33 | 88.33 | 90.49 | 0.01735 |
摘要小说希勒切削状态识别方法提出了基于IGSA的结合,VMD, PCA, LSSVM。位置更新机制基于利维飞行策略介绍提高GSA的搜索性能,和IGSA算法优化VMD的最佳参数组合,确保分解效果。IGSA-VMD的有效性验证是通过使用模拟信号。然后,提取特征来表示切削状态信息通过使用信封熵和峰度的分解货币基金。此外,介绍了PCA选择敏感的特性来提高LSSVM的识别性能。最后,还提供了一些实验,结果表明,该方法有更好的状态识别能力和更高的精度。
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
作者宣称没有利益冲突。
作者要感谢中国国家自然科学基金支持的研究工作。这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。U1510117和52074271),中国博士后科学基金项目(批准号2019 m661974和2020 t130696),一般大学江苏省科学研究项目(批准号19 kjb510014),和优先级的学术程序开发(PAPD)江苏高等教育机构。